2.15. Правда про приливы в океанах.

Согласно традиционным воззрениям, лунно-солнечные приливы в океанах происходят из-за глобальных возмущений силы тяжести, обусловленных наложением лунного и солнечного тяготений на земное тяготение и результирующим совместным их действием на вещество Земли – в частности, на океанскую воду. Но выше мы изложили факты, которые отметают эти традиционные воззрения. Во-первых, в области тяготения Земли, солнечное тяготение «отключено». Во-вторых, лунное тяготение далеко не достаёт до Земли. Значит, ни тяготение Солнца, ни тяготение Луны не действуют на вещество Земли, и поэтому традиционный подход совершенно не объясняет истинных причин приливов.

В справедливости этого безрадостного для науки вывода легко убедиться. Есть учебники по физике, в которых описывается, каковы приливы должны быть – в согласии с законом всемирного тяготения. А ещё есть учебники по океанографии, в которых описывается, каковы они, приливы, на самом деле. Если традиционный подход был бы верен, и океанская вода притягивалась бы, в том числе, к Солнцу и Луне, то «физическая» и «океанографическая» картины приливов совпадали бы. В действительности же, эти две картины не имеют между собой ничего общего – они кардинально различаются как качественно, так и количественно.

Нам ведь ещё в школе вдалбливали, что из-за действия, например, лунного тяготения, в Мировом океане формируется приливный эллипсоид, один горб которого находится на стороне Земли, обращённой к Луне, а другой – на противоположной стороне. И, из-за суточного вращения Земли, эти два горба прокатываются по Мировому океану, отчего в каждом месте получается по два прилива и два отлива за сутки. Однако, перемещение приливного горба означает перетекание колоссальных масс воды из океана в океан – чего в действительности не происходит, ибо каждый океан успешно обходится своими собственными водными ресурсами. Более того, каждый океан разделён на смежные области, в которых приливные явления происходят, практически, автономно. И заключаются они в том, что, в каждой такой области, уровневая поверхность несколько наклонена к горизонту, причём направление этого наклона вращается. Это и есть вращающаяся приливная волна – как в тазике с водой, который двигают по полу круговыми движениями. При этом максимум и минимум уровня последовательно проходят по всему периметру. Ещё Лапласа изумлял этот парадокс: отчего в портах одного и того же побережья полная вода наступает с заметными последовательными запаздываниями – хотя, по концепции приливных эллипсоидов, она должна наступать одновременно. Дело ведь не в том, что «приливным горбам» мешают прокатываться материки. Тихий океан простирается почти на половину окружности экватора, и движения приливных горбов, имей они место, были бы здесь заметны. Но – ничего подобного: и здесь наблюдается устойчивая разбивка на области с независимыми друг от друга вращениями уровневых поверхностей. Никаких намёков на перемещение глобальных волн! Вращение независимых локальных волн – и всё!

Океанографы честно изложили это физикам, надеясь получить разумное объяснение. Физики, не напрягаясь, заявили, что вращающиеся волны получаются оттого, что на движущиеся приливные горбы действует сила Кориолиса. Океанографы почесали затылки… как же могуча сила этого Кориолиса! Она так действует на движущиеся приливные горбы, что от них вообще ничего не остаётся – на протяжении всей истории наблюдений за приливами! Поняли океанографы, что с физиками лучше не связываться. Впрочем, физики выжали из феномена вращающихся приливных волн всё, что смогли. Они, зная про этот феномен, умудрялись находить подтверждения даже для ньютоновской статической теории приливов – согласно которой, максимальная амплитуда прилива в новолуние или полнолуние, когда возмущения от Луны и Солнца складываются, должна составлять величину около 90 см. Составили скромный списочек пунктов в центральных областях океанов, где всё примерно так и есть: и на острове Св.Елены – 80 см, и на острове Гуам – столько же, и на островах Антиподов – 1.5 м… Мол, полный триумф ньютоновской теории! – если умолчать о том, что все эти пункты находятся на промежуточных радиусах вращающихся волн. А как же быть с их центральными областями – где высоты приливов, практически, нулевые? А как быть с их периферийными областями – где, на материковых побережьях, высоты приливов, в среднем, составляют чуть поболе двух метров? И эти высоты – без учёта подпора воды в узких бухтах, они характеризуют силу приливообразующего воздействия в чистом виде, как это и обозначено на картах приливов. В общем, практика с полной определённостью показывает: на основе ньютоновской статической теории предвычислять приливы невозможно. Поэтому предвычисления делают с помощью т.н. динамических теорий приливов. Собственно, теориями они называются лишь из вежливости. Ибо, для каждого порта или иного пункта, динамику уровня океана моделируют суммой колебаний с характерными периодами, амплитудами и фазами – которые находят чисто эмпирически. Затем экстраполируют эту сумму колебаний вперёд – вот и получаются предвычисления. А чтобы штурманам не слишком бросалась в глаза неприменимость закона всемирного тяготения к предвычислениям приливов, теоретики придумали изумительную вещь: «отдельные простые колебания рассматриваются… как самостоятельные приливы, обусловленные действием воображаемых фиктивных светил… С этой точки зрения суммарный лунно-солнечный прилив состоит из множества колебаний, вызываемых многими фиктивными светилами» [Д3]. В переводе на общепонятный язык это означает, что, в рамках закона всемирного тяготения, фиктивные светила колеблют океаны в куда лучшем согласии с реальностью, чем их колебали бы Луна и Солнце. Прости этих теоретиков, Ньютон!

А в чём же заключаются настоящие причины вращающихся приливных волн? Смотрите: успокоившаяся водная поверхность ортогональна к местной вертикали. Если местная вертикаль совершает вращательные уклонения, то водная поверхность будет отслеживать эти уклонения, стремясь сохранять ортогональность к вертикали – вот вам и вращающаяся приливная волна. Что же касается причин вращательных уклонений у вертикалей, то соответствующие «солнечный» и «лунный» механизмы отличаются друг от друга. Сначала скажем о «солнечном» механизме.

Как мы излагали выше (2.8), не вещество Земли порождает земную частотную воронку. Эта воронка создана чисто программными средствами, а Земля просто удерживается в её центре, вблизи положения равновесия. Если бы земная частотная воронка не двигалась с ускорением, то равновесное положение Земли было бы точно в её центре. Но ускорение-то у земной частотной воронки имеется – из-за орбитального движения вокруг Солнца. Поэтому Земля, из-за своих инертных свойств, несколько сдвинута в своей частотной воронке в противоположную от Солнца сторону. Т.е., центр геоида сдвинут относительно центра земного тяготения – а поскольку спутники, летающие вокруг Земли, притягиваются не к центру геоида, а к центру земного тяготения, то геоид должен быть сдвинут относительно клубка орбит спутников. Именно этим сдвигом можно объяснить некоторые эффекты в работе навигационной спутниковой системы GPS, которые до сих пор не нашли объяснения в рамках принятых моделей. Речь идёт, прежде всего, об уверенно обнаруживаемых суточных вариациях при сличениях наземных атомных часов как с отдельными бортовыми часами GPS, так и с системной шкалой времени GPS [В1]. Если эти вариации обусловлены сдвигом геоида относительно орбит GPS, то по величине вариаций можно судить об этом сдвиге. Размах этих вариаций составляет 6-7 наносекунд. С учётом реальной геометрии измерений, оценка для сдвига геоида относительно орбит GPS, в противоположную от Солнца сторону, составляет ~1.6 м [Г13]. Будучи неучтённым, этот сдвиг приводил бы и к другим систематическим эффектам, например, к рассогласованиям результатов сличений шкал времени наземных лабораторий, проводимых на одном и том же временном интервале через разные спутники. Подобный феномен действительно имеет место [В2]. Разновидностью того же феномена можно считать явление, которое происходит при переключениях на новый рабочий спутник или при изменениях состава рабочего созвездия спутников: в потоке данных появляется «ступенька» - это хорошо известно специалистам. Так вот, при наличии названного сдвига геоида относительно центра земного тяготения, везде на поверхности Земли векторы силы тяжести оказываются направлены не к её центру, а к точке, которая находится ближе к Солнцу на 1.6 м. И, сохраняя свои направления к этой точке в условиях суточного вращения Земли, векторы силы тяжести совершают вращательные уклонения около нормали к местному горизонту. Тогда угол максимального уклонения будет равен, очевидно, отношению сдвига 1.6 м к радиусу Земли, т.е. ~2.5?10^-7 рад. И, для вращающейся «солнечной» приливной волны с 1000-километровым радиусом, размах положения уровня на периферии составит ~0.5 м – что соответствует действительности.

Нам возразят: если верно вышеизложенное, то «солнечное» приливообразующее воздействие должно иметь суточный период – а приливы-то, мол, наблюдаются полусуточные! Отвечаем: давайте, чтобы не трепаться зря, обратимся к опыту. Ведь вопрос о периоде приливных вариаций силы тяжести элементарно решается с помощью гравиметрических измерений. Главная компонента этих вариаций, согласно закону всемирного тяготения, должна иметь полусуточный период. А что мы видим? Да почти ничего. В литературе имеется изобилие теоретических кривых приливных вариаций силы тяжести, но их экспериментальных кривых, практически, нет. А ведь, учитывая фундаментальность вопроса, можно было ожидать, что экспериментальные кривые должны приводиться если уж не в каждом учебнике, то хотя бы в специализированной литературе! Но – ничего подобного! Э-э, тут что-то не так. И мы поняли – что именно. Нам повезло: мы добрались до раритетного издания – трудов известного геодезиста и гравиметриста А.Я.Орлова [О1]. Он ещё в 1909 (!) году исследовал горизонтальные вариации силы тяжести, экспериментируя с маятниками Цельнера. Такой маятник представляет собой стерженёк с грузиком на одном конце, зафиксированный горизонтально с помощью двух вертикальных струнных растяжек, из которых нижняя прикреплена к свободному концу стерженька, а верхняя – к точке, немного отстоящей от свободного конца. Это бесхитростное устройство практически не реагирует на вертикальные возмущения, но обладает исключительно высокой чувствительностью к горизонтальным возмущениям. Труды А.Я.Орлова особенно ценны тем, что в них опубликованы ряды «сырых» данных, а также описаны применявшиеся методики их обработки – любой желающий имеет возможность убедиться в корректности конечных результатов. Приведём один из результатов серии измерений в Юрьеве (Тарту) с тем маятником, который был ориентирован вдоль меридиана. Результаты всей весенне-осенней серии измерений обрабатывались так, чтобы разделить солнечные и лунные эффекты. Рис.2.15 демонстрирует реакцию маятника на солнечные воздействия ([О1], стр.175, таблица 10).

Так вот в чём дело! Суточная компонента, оказывается, доминирует – к прискорбию для закона всемирного тяготения! Тогда понятно, почему об этом помалкивают. Мы ещё недоумевали – как это труды Орлова оказались изданы? А дело, по-видимому, в том, что он свои данные представил не в графическом, а в табличном виде – при этом страшная правда о суточных вариациях силы тяжести не слишком бросалась в глаза!

Спрашивается: неужели ни у кого, кроме Орлова, не проявлялись суточные вращательные уклонения местных отвесных линий? Ну, что вы – они проявлялись многократно, начиная ещё со второй половины XIX века. Астрономы-то, определяя положения звёзд с помощью своих телескопов, использовали в качестве опорной линии местную вертикаль, реализуемую с помощью ртутного горизонта. Если местные вертикали «гуляют», а в расчёт это не принимается, то, конечно, будут «гулять» положения звёзд: «Основной вывод… заключается в том, что существуют суточные колебания в наблюдённых зенитных расстояниях с амплитудой 0?.16» [К7]. Были специально организованы наблюдения в пунктах с противоположными долготами – и обнаружилось, что сдвиги «наблюдённых зенитных расстояний» звёзд происходят в этих пунктах в противофазе [К7]. Так и должно быть при суточных вращательных уклонениях местных вертикалей.

Рис.2.15

Но признать эти уклонения – значит, вынести приговор закону всемирного тяготения. Поэтому теоретики решили делать вид, что наблюдаемые колыхания звёзд происходят из-за колыханий самой Земли. Мол, противофазные сдвиги «наблюдённых зенитных расстояний» в пунктах с противоположными долготами как раз и означают, что Земля накренилась – отчего широты этих пунктов получили противоположные приращения. Вы, дорогой читатель, небось, думали, что северный и южный полюса Земли находятся на оси её вращения? А вот специалисты по вращению Земли полагают, что её полюса гуляют – из-за того, что Земля накреняется туда-сюда. Правда, объяснить это чудо они до сих пор не могут – как это и бывает, когда пытаешься объяснить то, чего нет в реальности. Но Служба определения параметров вращения Земли вполне процветает. Правда, эта служба оповещает желающих лишь о долгопериодических движениях полюса – годичных и т.н. чандлеровских, со средним периодом 428 дней. А про главные, суточные, движения полюса эта служба помалкивает. Не может Земля покачиваться с периодом в сутки – из-за своих инертных свойств. Поэтому, суточные компоненты в потоках данных прилежно отфильтровывают. Иначе весь этот бред про покачивания Земли сразу рухнет [Г15]. И всё это делают ради того, чтобы скрыть прокол закона всемирного тяготения!

Но вернёмся к нашим приливам. Лунное приливообразующее воздействие тоже имеет суточный период – только эти сутки не солнечные, а лунные (они длятся примерно 24 час 50 мин). И причина лунных приливов связана с тем самым переменным ускорением Земли «вперёд-назад», вызываемым периодическими ускорениями-замедлениями орбитального движения земной частотной воронки (2.14). Амплитуда вектора этого ускорения, достигаемая в квадратурах, составляет 2.8?10^-5 м/с². Этот вектор входит, как дополнительное слагаемое, в местные вектора силы тяжести на поверхности Земли. Результирующие векторы силы тяжести в каждом пункте, из-за суточного вращения Земли, совершают, опять же, вращательные уклонения – благодаря чему и генерируются вращающиеся приливные волны.

Но как получается, что эти волны вращаются с периодом в лунные сутки, а не в солнечные? Дело в том, что вблизи новолуний-полнолуний, при переходе Земли через нулевое колебательное смещение, вектор колебательного ускорения также переходит через ноль и изменяет своё направление в пространстве на противоположное. При этом фазы вращательных уклонений местных вертикалей испытывают скачок на 180^о. После этого скачка приливная волна восстанавливает синхронизм со своим генератором – что, из-за инертных свойств воды, занимает некоторое время и осуществляется через небольшое увеличение периода вращения волны. В идеале, если восстановление синхронизма длится половину синодического месяца, то период вращения равен средним лунным суткам. Но обычно максимальные и минимальные размахи суточных приливов запаздывают – иногда на несколько суток – относительно соответствующих фаз колебательного цикла Земли.. Если отбросить поправки на эти запаздывания, то на типичных кривых суточных приливов хорошо видно, что их минимальные, практически, нулевые размахи, приходятся на новолуния-полнолуния, а максимальные – на серединки между ними. Это соответствует изменениям колебательного ускорения Земли и, опять же, противоречит закону всемирного тяготения – согласно которому, высоты приливов должны быть максимальны в полнолуния-новолуния!

Добавим, что предсказание закона всемирного тяготения о том, что приливы с полусуточным периодом должны доминировать, также не подтверждается практикой. Из вышеизложенного ясно, что приливообразующих воздействий с полусуточным периодом не существует. И, действительно, в открытых океанах, т.е. на подавляюще большей площади Мирового океана, почти безраздельно властвуют суточные приливы. На окраинных морях наблюдаются смешанные суточно-полусуточные приливы, а в малых морях, проливах и больших бухтах – полусуточные. Традиционно, господство суточного типа приливов в открытых океанах объясняют «большими суточными неравенствами» - как будто склонение Луны проявляется в открытом океане как-то иначе, чем вблизи побережий на тех же широтах. Давайте же обратим внимание на то, что чем меньше площадь и глубина участка океана, в котором вращается приливная волна, тем более смещён в короткопериодическую сторону спектр приливных колебаний этого участка. Напрашивается очевидный вывод: в приливных колебаниях не последнюю роль играют резонансные явления. Эта идея не нова; она высказывалась, например, в [Д3,Ш2], но не получила развития. А ведь наличие резонансов кардинально изменяет физику приливных явлений, поскольку здесь уже не работает принцип линейной суперпозиции возмущающих воздействий. Действительно, здесь отклики на воздействия с различными периодами должны иметь различные «коэффициенты передачи»: сильнее должен быть отклик на то воздействие, период которого ближе к резонансному. Более того, само происхождение полусуточных приливов оказывается следствием генерации второй гармоники при суточном воздействии! В пользу этого вывода свидетельствует и тот факт, что в некоторых малых мелководных областях – например, в Кандалакшском заливе Белого моря – наблюдаются четвертьсуточные приливы [Ш2]!

Следствием такого подхода, проверенным нами с помощью несложных машинных экспериментов [Г13], является то, что почти все основные и промежуточные типы приливов оказывается возможным промоделировать, считая их результатами совместного действия всего двух первичных возмущений: солнечно-суточного и лунно-суточного – с допущением генерации вторых гармоник!

Итак, учёт феномена вращательных уклонений местных вертикалей ставит на свои места и полюса Земли, и настоящие источники приливных явлений в океанах. А ещё он помогает поставить на место фирму PASCO (2.2), которая производит игрушечные установки для повторения опыта Кавендиша. Правда, разработчики этих игрушек применили важное новшество: подвес коромысла сделан не нитевидным, а ленточным – из бериллиевой меди, с поперечным сечением 0.017х0.150 мм [П5]. В отличие от нитевидного, ленточный подвес и вынуждает коромысло немного довернуться при достаточном для этого уклонении местной вертикали. Причём, доворот произойдёт в том же направлении, что и вращательное уклонение вертикали, т.е. по часовой стрелке, если смотреть сверху. Вот почему изготовители просят [П5], при смене позиций «притягивающих» шаров, не путать, какая позиция является первой, а какая второй – иначе вместо «притяжения» обнаружится «отталкивание». Ну, и ещё: размахи вращательных уклонений местных вертикалей зависят от фаз Луны: они максимальны в квадратурах, а в сизигиях они нулевые. Те, кто уже приобрели установку фирмы PASCO, могут убедиться: в новолуния и полнолуния фирменные болваночки теряют «притягивающие» свойства!

Но не всегда гуляния вертикалей являются таким полезным эффектом: толпы геодезистов и гравиметристов уже покрыли их матом во множество слоёв. «Ничего не поделаешь, - разъясняют теоретики, - дело в несовершенстве приборов, у которых имеется дрейф нуля». Да нет, приборы здесь не виноваты: «дрейф нуля сейсмометра, установленного в Ленинграде, подобен дрейфу нуля гравиметра, установленного под Алма-Атой… Такое подобие показаний приборов разной конструкции не может быть объяснено ни аппаратурной погрешностью, ни локальными процессами… временной ход этой глобальной вариации коррелирует с лунными фазами» [А7]. Так что на зеркало неча пенять, коли рожа крива!